FIELD OF INVENTION
[0001] This invention relates to microelectronics packaging and more particularly to mechanical,
thermal and electrical attachment of a high frequency integrated circuit die to a
ceramic substrate.
BACKGROUND OF THE INVENTION
[0002] Integrated circuit dice are typically attached to a substrate that provides heat
transfer and electrical connections. For high frequency circuits, heat transfer becomes
especially important. In addition, for high frequency circuits, signal degradation
die to reflections may limit the useful frequency range. Therefore, transmission line
geometry becomes especially important.
[0003] A common method of electrically connecting the die to the substrate is wire bonding
(or tape-automated bonding). Wire bonding consists of attaching wires to bonding pads
on the die and to traces on the substrate. Flexible wire bonds provide strain relief
to allow for differences in thermal expansion between the die and the substrate.
[0004] High frequency signals on an integrated circuit die and on the substrate are typically
routed by microstrips or other transmission lines. Bonding wires between a substrate
and a die form a discontinuity in the transmission line. This discontinuity causes
signal degradation due to reflections.
[0005] For high frequency circuits, the substrate is typically a material with good tliermal
conductivity such as aluminum oxide or other ceramic material. The die is typically
back bonded to the ceramic for thermal conduction through the back of the die.
[0006] The present invention improves substrate thermal conductivity and reduces signal
degradation relative to prior art die mounting methods.
SUMMARY OF THE INVENTION
[0007] According to the invention, there is provided an integrated circuit structure as
specified in claim 1.
[0008] The insulation means may comprise a layer of ceramic or glass ceramic.
[0009] A preferred embodiment improves heat conductivity by providing a grid of metal coated
or metal filled vias through a ceramic substrate to a heat conductive backplane. The
vias are isolated from the integrated circuit die by a dielectric layer. A metallic
layer on the die side of the dielectric provides a back bias conductor for the integrated
circuit die. A metallic layer on the substrate side of the dielectric, electrically
connected to the grid of vias, minimizes signal degradation from transmission line
discontinuities due to bonding wires by providing an additional span of microstrip
and by minimizing the distance between die pads and electrical ground.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0010] Figure 1 (prior art) illustrates a mechanical top view of a portion of an integrated
circuit wire bonded to a substrate.
[0011] Figure 2 (prior art) is a mechanical cross section of the integrated circuit assembly
of figure 1.
[0012] Figure 3 is a mechanical top view of an exemplary circuit mounting and interconnection
system in accordance with the present invention.
[0013] Figure 4 is a mechanical cross section of the integrated circuit mounting and interconnection
system illustrated in figure 3.
[0014] Figures 1 and 2 illustrate a typical prior art system. Figure 1 illustrates a top
view of a corner of an integrated circuit wire bonded to traces on a substrate. Figure
2 illustrates a cross section through the assembly illustrated in figure 1. In figures
1 and 2, an integrated circuit 100 is wire bonded to traces (102 and 104) on a substrate
106. Trace 102 represents the top portion of a signal microstrip. A ground plane 112
on the bottom side of the substrate 106 forms the other conductor in the microstrip.
Trace 104 represents a ground connection to the integrated circuit 100. A plated via
110 connects the ground trace 104 to the ground plane 112 on the bottom of the substrate.
In general, traces leading to the integrated circuit 100 are so crowded that via 110
cannot be placed close to the integrated circuit 100.
[0015] For high frequency signals (for example signals in the GigaHertz range), trace 102
and the ground plane 112 comprise an effective transmission line. However, at the
wire bond 108, there is a discontinuity in the microstrip geometry. At that point,
there is no longer a transmission line. Instead of confined electric field lines between
the trace 102 and the ground plane 112 below, there is a longer circuit through the
integrated circuit requiring current flow through the plated via 110.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION
[0016] Figure 3 illustrates a mechanical top view of the present invention. Figure 4 illustrates
a cross section through the system illustrated in figure 3. In figures 3 and 4, an
integrated circuit 300 is mounted to a substrate 302. The substrate 302 has a grid
of vias 304 connecting a conductive lower ground plane 306 to a conductive upper ground
plane 308. The integrated circuit 300 is electrically isolated from the upper ground
plane 308 by a dielectric layer 310. The dielectric layer 310 has a conductive layer
312 which electrically contacts the back of integrated circuit 300. The conductive
layer 312 has a bonding wire 314 to a back bias voltage 316 (V
EE). The integrated circuit 300 has a bonding wire 324 to the upper ground plane 308.
The integrated circuit 300 has a bonding wire 318 to a signal trace 322. The integrated
circuit 300 is attached to conductive layer 312 by a suitable high temperature adhesive.
Likewise, dielectric layer 310 may be attached to the upper ground plane 308 with
an adhesive.
[0017] In the preferred embodiment of the present invention, the substrate 302 is aluminum
oxide. The vias 304 are preferably metal filled to maximize the thermal conductivity
but alternatively may be just metal plated. If the vias 304 are solid filled then
the dielectric 310 is preferably a screen printed glass ceramic. A suitable material
is a .002 inch (1inch=2.54cm) layer of insulating glass such as DuPont 5704M. If the
vias 304 are merely plated, the ends of the vias are open and a screen printed dielectric
cannot cover the open ends. Therefore, for plated vias, a mechanically rigid dielectric
is needed. For plated vias, a tliin sheet of thermally conductive substrate such as
aluminum nitride or beryllium oxide is preferable. The rigid substrate must be thin
for thermal transmission but thick enough to conveniently process. Aluminum nitride
with a thickness in the range of .010-.025 inches is suitable.
[0018] In the preferred embodiment, the upper and lower ground planes (306 and 308) are
Palladium-Silver. The vias 304 are plated with gold. The vias 304 are tlien filled
with gold that contains a small amount of glass filler. The glass filler improves
adhesion and also minimizes the thermal expansion mismatch between the gold and the
surrounding substrate material.
[0019] In the preferred embodiment, the vias 304 are laser drilled using a CO
2 laser. The distance between vias 304 is approximately the same as the thickness of
the substrate (302).
[0020] Figures 3 and 4 also illustrate the improvement in transmission line geometry. The
signal bond wire 318 has the upper ground plane 308 underneath for much of the distance
to the integrated circuit 300, effectively forming a microstrip. In addition, the
ground bond wire 324 provides a very short path from the same upper ground plane 308
to the integrated circuit. The grid of conductive vias 304 provides a very low impedance
path between the upper and lower ground planes. While there is still some transmission
line discontinuity at the signal bond 320, there is much less of a discontinuity than
the prior art as illustrated in Figure 1.
1. An integrated circuit structure comprising:
an integrated circuit die (300) having a back surface and having a plurality of bonding
pads arranged on the top surface;
a first plurality of wires (324) for electrical ground and a second plurality of wires
(318) for electrical signals, wherein each wire from the first plurality of wires
and the second plurality of wires is bonded to a corresponding pad in the plurality
of bonding pads;
a substrate (302) having top and bottom surfaces;
a bottom ground plane (306) substantially covering the substrate (302) bottom surface;
a top ground plane (308), located on the substrate (302) top surface;
a plurality of vias (304) passing through the substrate (302) from the substrate top
surface to the substrate bottom surface and connecting said top and bottom ground
planes, the vias (304) being electrically and thermally conductive, the vias thereby
providing heat transfer from the substrate top surface to the substrate bottom surface
and high frequency electrical conductivity from the top ground plane (308) to the
bottom ground plane (306);
insulation means (310) for insulating the back surface of the integrated circuit die
(300) from the top ground plane (308), the insulation means (310) located between
the back surface of the integrated circuit die (300) and the top ground plane (308)
and being attached to the top ground plane (308); and,
wherein the top ground plane (308) extends beyond the bottom surface of the integrated
circuit die (300), wherein each wire in the first plurality of wires (324) is bonded
to the top ground plane (308), thereby providing a short high frequency ground path
for each wire in the first plurality of wires (324), and wherein each wire in the
second plurality of wires (318) is bonded to signal traces (322) arranged on the substrate
top surface beyond the top ground plane, the wires in the second plurality of wires
thus passing near the top ground plane (308), thereby forming a plurality of separate
microstrips each composed of a wire in the second plurality of wires (318) in conjunction
with the top ground plane (308).
2. An integrated circuit structure as in claim 1 wherein the insulation means (310) comprises
a layer of ceramic and a conductive layer (312) is sandwiched between the ceramic
and the integrated circuit die (300).
3. An integrated circuit structure as in claim 2 comprising:
a bias voltage (316) electrically connected to the conductive layer (312).
4. An integrated circuit structure as in claim 3 wherein the conductive vias (304) are
filled with a metal.
5. An integrated circuit structure as in claim 1 wherein the insulation means (310) comprises
a layer of glass ceramic and a conductive layer (312) is sandwiched between the glass
ceramic layer and the integrated circuit die (300).
6. An integrated circuit structure as in claim 5 comprising:
a bias voltage (316) electrically connected to the conductive layer (312).
7. An integrated circuit structure as in claim 6 wherein the conductive vias (304) are
filled with a metal.
1. Eine integrierte Schaltungsstruktur mit folgenden Merkmalen:
einem integrierten Schaltungschip (300) mit einer rückseitigen Oberfläche und mit
einer Mehrzahl von Bondanschlußflächen, die auf der oberen Oberfläche angeordnet sind;
einer ersten Mehrzahl von Drähten (324) für eine elektrische Masse und eine zweite
Mehrzahl von Drähten (318) für elektrische Signale, wobei jeder Draht von der ersten
Mehrzahl von Drähten und der zweiten Mehrzahl von Drähten an eine entsprechende Anschlußfläche
in der Mehrzahl von Bondanschlußflächen gebondet ist;
einem Substrat (302) mit einer oberen und einer unteren Oberfläche;
einer unteren Massefläche (306), die die untere Oberfläche des Substrats (302) im
wesentlichen bedeckt;
einer oberen Massefläche (308), die sich auf der oberen Oberfläche des Substrats (302)
befindet;
einer Mehrzahl von Durchführungen (304), die von der oberen Oberfläche des Substrats
(302) zu der unteren Oberfläche des Substrats durch das Substrat laufen und die obere
und die untere Massefläche verbinden, wobei die Durchführungen (304) elektrisch und
thermisch leitend sind, wodurch die Durchführungen eine Wärmeableitung von der oberen
Oberfläche des Substrats zu der unteren Oberfläche des Substrats und eine elektrische
Hochfrequenzleitfähigkeit von der oberen Massefläche (308) zu der unteren Massefläche
(306) schaffen;
einer Isolationseinrichtung (310) zum Isolieren der rückseitigen Oberfläche des integrierten
Schaltungschips (300) von der oberen Massefläche (308), wobei sich die Isolationseinrichtung
(310) zwischen der rückseitigen Oberfläche des integrierten Schaltungschips (300)
und der oberen Massefläche (308) befindet und an der oberen Massefläche (308) befestigt
ist; und
wobei sich die obere Massefläche (308) über die untere Oberfläche des integrierten
Schaltungschips (300) hinaus erstreckt, wobei jeder Draht in der ersten Mehrzahl von
Drähten (324) an die obere Massefläche (308) gebondet ist, wodurch für jeden Draht
in der ersten Mehrzahl von Drähten (324) ein kurzer Hochfrequenzmasseweg geschaffen
ist, und wobei jeder Draht in der zweiten Mehrzahl von Drähten (318) an Signalspuren
(322) gebondet ist, die auf der oberen Oberfläche des Substrats über die obere Massefläche
hinaus angeordnet sind, wobei die Drähte in der zweiten Mehrzahl von Drähten somit
in die Nähe der oberen Massefläche (308) verlaufen, wodurch dieselben eine Mehrzahl
von separaten Mikrostreifen bilden, die jeweils aus einem Draht in der zweiten Mehrzahl
von Drähten (318) in Verbindung mit der oberen Massefläche (308) zusammengesetzt sind.
2. Eine integrierte Schaltungsstruktur gemäß Anspruch 1, bei der die Isolationseinrichtung
(301) eine Schicht aus Keramik aufweist, und eine leitende Schicht (312) zwischen
der Keramik und dem Chip (300) der integrierten Schaltung schichtweise angeordnet
ist.
3. Eine integrierte Schaltungsstruktur gemäß Anspruch 2 mit:
einer Vorspannung (316), die mit der leitenden Schicht (312) elektrisch verbunden
ist.
4. Eine integrierte Schaltungsstruktur gemäß Anspruch 3, bei der die leitenden Durchführungen
(304) mit einem Metall gefüllt sind.
5. Eine integrierte Schaltungsstruktur gemäß Anspruch 1, bei der die Isolationseinrichtung
(310) eine Schicht aus Glaskeramik aufweist, und eine leitende Schicht (312) zwischen
der Glaskeramikschicht und dem integrierten Schaltungschip (300) schichtweise angeordnet
ist.
6. Eine integrierte Schaltungsstruktur gemäß Anspruch 5 mit:
einer Vorspannung (316), die mit der leitenden Schicht (312) elektrisch verbunden
ist.
7. Eine integrierte Schaltungsstruktur gemäß Anspruch 6, bei der die leitenden Durchführungen
(304) mit einem Metall gefüllt sind.
1. Une structure de circuit intégré comprenant :
• une microplaquette (300) de circuit intégré comportant une surface arrière et ·
comportant une série de pastilles d'attache agencées sur la surface supérieure ;
• une premier série de fils (324) destinés à la masse électrique et une deuxième série
de fils (318) destinés à des signaux électriques, chaque fil de la première série
de fils et de la deuxième série de fils étant attaché à un pastille correspondante
de la série des pastilles d'attache ;
• un substrat (302) à surfaces supérieure et inférieure ;
• un plan de masse inférieur (306) qui recouvre sensiblement la surface inférieure
du substrat (302)
• un plan de masse supérieur (308) situé sur la surface supérieure du substrat (302);
• une série de trous traversants qui traversent le substrat (302) de la surface supérieure
du substrat jusqu'à la surface inférieure du substrat et connectent lesdits plans
de masse supérieur et inférieur, les trous traversants (304) étant électriquement
et thermiquement conducteurs ; les trous traversants réalisant ainsi un transfert
thermique de la surface supérieure du substrat vers la surface inférieure du substrat
et une conductivité électrique à hautes fréquences du plan de masse supérieur (308)
vers le plan de masse inférieur (306) ;
• un moyen isolant (310) pour isoler du plan de masse supérieur (308) la surface arrière
de la microplaquette (300) de circuit intégré, le moyen isolant (310) étant situé
entre la surface arrière de la microplaquette (300) de circuit intégré et le plan
de masse supérieur (308) et étant attaché au plan de masse supérieur (308); et
dans lequel le plan de masse supérieur (308) s'étend au delà de la surface inférieure
de la microplaquette (300) de circuit intégré, chaque fil de la première série de
fils (324) étant attaché au plan supérieur de masse (308), en réalisant ainsi un court
trajet de masse de hautes fréquences pour chaque fil de la première série de fils
(324), et chaque fil de la deuxième série de fils (318) étant attaché à des traces
(322) de signaux agencées sur la surface supérieur du substrat au delà du plan supérieur
de masse, les fils de la deuxième série de fils passant ainsi près du plan supérieur
de masse (308), en formant de cette manière une série de microbandes séparées composées
chacune d'un fil de la deuxième série de fils (318) en conjonction avec le plan supérieur
de masse (308).
2. Une structure de circuit intégré selon la revendication 1 dans laquelle le moyen isolant
(310) comprend une couche de céramique et une couche conductrice (312) est prise en
sandwich entre la céramique et la microplaquette (300) de circuit intégré.
3. Une structure de circuit intégré selon la revendication 2 qui comprend une tension
de polarisation (316) connectée électriquement à la couche conductrice (312).
4. Une structure de circuit intégré selon la revendication 3 dans laquelle les trous
traversants (304) sont remplis d'un métal.
5. Une structure de circuit intégré selon la revendication 1 dans laquelle le moyen isolant
(310) comprend une couche de vitrocéramique et une couche conductrice (312) est prise
en sandwich entre la couche de vitrocéramique et la microplaquette (300) de circuit
intégré.
6. Une structure de circuit intégré selon la revendication 5 qui comprend une tension
de polarisation (316) connectée électriquement à la couche conductrice (312).
7. Une structure de circuit intégré selon la revendication 6 dans laquelle les trous
traversants (304) sont remplis d'un métal.